【摘要】：電力工業(yè)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中最重要的能源產(chǎn)業(yè)。近幾年來(lái),我國(guó)所面臨的化石能源短缺與污染物排放問(wèn)題日益突出。為了優(yōu)化能源結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排,需要進(jìn)一步擴(kuò)大可再生能源的發(fā)電份額并提高能源的利用效率。太陽(yáng)能輔助燃煤發(fā)電機(jī)組將聚光式集熱技術(shù)收集的太陽(yáng)能熱引入燃煤機(jī)組預(yù)熱給水,通過(guò)取代部分抽汽實(shí)現(xiàn)減少燃煤或增加發(fā)電功率的作用。該技術(shù)具有集成方案的多樣性、發(fā)電輸出的穩(wěn)定性、與電網(wǎng)需求的一致性以及運(yùn)行方式的靈活性等優(yōu)點(diǎn),也符合我國(guó)大力發(fā)展太陽(yáng)能并降低其投資成本的需求。本課題針對(duì)槽式太陽(yáng)能集熱與燃煤電廠互補(bǔ)發(fā)電技術(shù),從系統(tǒng)建模、光煤耦合機(jī)理、熱力性能分析、年經(jīng)濟(jì)性以及關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化等多個(gè)方面展開(kāi)研究。其主要研究總結(jié)如下:(1)太陽(yáng)能輔助燃煤發(fā)電系統(tǒng)的建模與熱力性能算法優(yōu)化本文對(duì)互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵子系統(tǒng)進(jìn)行了建模。所建立的單軸跟蹤槽式太陽(yáng)集熱場(chǎng)模型可用于研究在不同設(shè)計(jì)參數(shù)或輻照條件下,集熱場(chǎng)的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程。通過(guò)建立汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)的并聯(lián)矩陣通用形式,設(shè)計(jì)了汽輪機(jī)機(jī)組變工況計(jì)算方法,具有運(yùn)算速度快、迭代次數(shù)少的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)已有的鍋爐“黑箱模型”進(jìn)行改進(jìn),將鍋爐視為一系列換熱器進(jìn)行傳熱計(jì)算,以進(jìn)一步研究光煤耦合對(duì)鍋爐出口蒸汽參數(shù)的影響。通過(guò)對(duì)油水換熱器“黑箱模型”進(jìn)行改進(jìn),對(duì)油水換熱器的換熱面積及換熱溫差進(jìn)行優(yōu)化研究。通過(guò)對(duì)上述所建立或改進(jìn)的模型進(jìn)行結(jié)合,本文設(shè)計(jì)了兩種互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)熱力性能算法,即“黑箱算法”與“改進(jìn)算法”。“黑箱算法”主要基于鍋爐和油水換熱器的“黑箱模型”。該算法需要假設(shè)主蒸汽參數(shù)、再熱蒸汽參數(shù)以及油水換熱器各換熱流體的進(jìn)出口參數(shù)不隨集熱場(chǎng)熱輸出的變化而改變。“改進(jìn)算法”主要基于改進(jìn)的鍋爐和油水換熱器模型,該算法一方面可在不預(yù)先假設(shè)主蒸汽、再熱蒸汽參數(shù)不變的前提下,通過(guò)對(duì)鍋爐各受熱面進(jìn)行傳熱計(jì)算得到鍋爐出口蒸汽的參數(shù);另一方面,該算法也可實(shí)現(xiàn)對(duì)油水換熱器變工況特性的研究,通過(guò)換熱器計(jì)算理論得到傳熱流體間的換熱量以及進(jìn)出口參數(shù)。(2)太陽(yáng)能輔助燃煤發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)變工況熱力學(xué)特性與耦合機(jī)理研究在互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)建模的基礎(chǔ)上,分別利用兩種算法對(duì)多種光煤耦合方式進(jìn)行熱力計(jì)算,研究變工況條件下系統(tǒng)熱力學(xué)參數(shù)隨太陽(yáng)能熱輸出的變化情況。結(jié)果表明,“黑箱算法”不能用于太陽(yáng)能集成位置位于再熱蒸汽入口之前的情形。在這種耦合方式下,太陽(yáng)能的引入導(dǎo)致再熱系數(shù)增加和再熱蒸汽出口溫度下降,與該算法所依據(jù)的假設(shè)矛盾。再熱蒸汽出口溫度下降既不利于鍋爐的安全運(yùn)行,也會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致循環(huán)效率和太陽(yáng)能熱電轉(zhuǎn)化效率降低�！昂谙渌惴ā焙汀案倪M(jìn)算法”均可用于太陽(yáng)能集成位置位于再熱蒸汽之后的情形。此時(shí),太陽(yáng)能的引入不改變?cè)贌嵯禂?shù)和鍋爐熱負(fù)荷分配,再熱溫度、互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)循環(huán)效率和太陽(yáng)能熱電轉(zhuǎn)化效率不受太陽(yáng)能引入量的影響,太陽(yáng)能取代的抽汽壓力越高,互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的循環(huán)效率和太陽(yáng)能熱電轉(zhuǎn)化效率越高。通過(guò)對(duì)互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行耦合優(yōu)化研究,發(fā)現(xiàn)用太陽(yáng)能熱取代第三級(jí)抽汽無(wú)論在太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)化效率、太陽(yáng)能熱發(fā)電量等熱力學(xué)指標(biāo),還是從鍋爐安全性而言,都優(yōu)于其他集成方案,應(yīng)作為最優(yōu)集成方案。(3)互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化方法的提出通過(guò)研究互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率和年經(jīng)濟(jì)性,提出了互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化方法。通過(guò)定義多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),可在不依賴于經(jīng)驗(yàn)值的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提高太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)化效率并降低系統(tǒng)的投資成本。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),油水換熱器換熱溫差及導(dǎo)熱油溫降的取值會(huì)影響換熱器的換熱面積、換熱效率與集熱場(chǎng)所需的集熱面積,其最優(yōu)值應(yīng)當(dāng)使得集熱場(chǎng)與換熱器的總投資最小。通過(guò)推導(dǎo)任意方位角與傾斜角下,單軸跟蹤槽式集熱場(chǎng)太陽(yáng)入射角的計(jì)算公式,定義了單雙軸跟蹤系統(tǒng)的年集熱比來(lái)評(píng)價(jià)各跟蹤方式的集熱能力。結(jié)果表明,南北極軸跟蹤方式集熱能力最強(qiáng),分別比南北軸水平跟蹤方式和東西軸水平跟蹤方式高11.4%和33.8%。通過(guò)分析太陽(yáng)能的整個(gè)光電轉(zhuǎn)化過(guò)程和年經(jīng)濟(jì)性,對(duì)互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)列間距、集熱面積和蓄熱量進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明,列間距的最優(yōu)值決定于土地費(fèi)用和集熱場(chǎng)跟蹤方式的選取;優(yōu)化集熱面積和蓄熱量可以最大化年太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)化效率并降低太陽(yáng)能標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)電成本。(4)集熱管三維模型、熱-結(jié)構(gòu)耦合分析及其熱安全性評(píng)價(jià)對(duì)集熱管進(jìn)行三維建模,通過(guò)有限元分析方法,對(duì)集熱管進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析,得到了集熱管在變輻照、變對(duì)流換熱系數(shù)下的溫度場(chǎng)、溫度梯度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律。結(jié)果表明,集熱管的溫度場(chǎng)可以分為三個(gè)區(qū)域——波紋管段、直管段及兩者的過(guò)渡區(qū)域。其中,溫度梯度和集熱管Von Mises等效應(yīng)力的最大值均位于集熱管與波紋管的過(guò)渡區(qū)域。直射輻射增加或集熱管內(nèi)壁面對(duì)流換熱系數(shù)減小都會(huì)使得管壁最大Von Mises等效應(yīng)力增加,甚至超過(guò)材料的屈服極限。最后,在集熱管穩(wěn)態(tài)安全性分析的基礎(chǔ)上,研究了在直射輻射突增條件下的集熱管動(dòng)態(tài)安全性,分析了集熱管最高溫度、最大溫度梯度以及最大應(yīng)力隨時(shí)間的響應(yīng)。
【圖文】：

式太陽(yáng)能示范電站在北京延慶縣成功發(fā)電［３（Ｍ２］。２０１６年８月，中控１０ＭＷ塔式逡逑太陽(yáng)能電站在青海省德令哈成功并網(wǎng)發(fā)電，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)塔式光熱發(fā)電技術(shù)規(guī)�；义虾蜕虡I(yè)化應(yīng)用【３３］。圖１－１為美國(guó)Ｃｒｅｓｃｅｎｔ邋Ｄｉｍｅｓ塔式太陽(yáng)能發(fā)電站［３４】。逡逑ｊ逡逑圖１－１邋Ｃｒｅｓｃｅｎｔ邋Ｄｕｎｅｓ塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｃｒｅｓｃｅｎｔ邋Ｄｕｎｅｓ邋ｓｏｌａｒ邋ｔｏｗｅｒ邋ｔｈｅｒｍａｌ邋ｐｏｗｅｒ邋ｐｌａｎｔ逡逑３逡逑

Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｍａｒｉｃｏｐａ邋ｓｏｌａｒ邋ｄｉｓｈ邋ｐｏｗｅｒ邋ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ邋ｓｙｓｔｅｍ逡逑１．２．１．２線聚焦太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)逡逑線性菲涅爾太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)采用線聚光原理集熱。其原理是利用菲涅射鏡將太陽(yáng)輻射聚集到其上方的吸熱管，產(chǎn)生的氋溫工質(zhì)通過(guò)熱力循環(huán)原理發(fā)電［２５，４４］。線性菲ml爾太陽(yáng)能電站的聚光比一般為５０￣７０，用水／水蒸氣為流體時(shí)，集熱溫度通常為２５０￣４００°Ｃ［４５，，４６］。目前，世界上己有７座線性菲涅太陽(yáng)能電站投入運(yùn)營(yíng)［４３］。２００８年，Ａｒｅｎａ公司在美國(guó)加利福尼亞州Ｂａｋｅｒｓｆｉ建造了邋５ＭＷ的Ｋｉｍｂｅｒｌｉｎａ菲涅爾太陽(yáng)能電站［４７］。２００９年和２０１２年，Ｎｏｖａ
【學(xué)位授予單位】：華北電力大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM621;TM615

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本文編號(hào)：2681224